T型焊接接头弯曲疲劳寿命预测方法

采用数值模拟方法对弯曲载荷下T型焊接接头疲劳裂纹由萌生至断裂过程进行研究,将焊接构件疲劳总寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,提出一种基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测方法。首先针对T型接头进行有限元建模,基于应变-寿命曲线与Neuber公式计算T型接头局部应变集中区域的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的初始裂纹设为半椭圆形表面裂纹;然后在T型接头中创建与实际裂纹相符的半椭圆形状裂纹,结合Dugdale模型和Westergaard应力函数,根据有限元分析结果迭代计算半椭圆裂纹尖端的真实应力强度因子,建立裂纹尖端应力强度因子随裂纹深度及附加应力变化的拟合公式;最后结合Pairs理论计算焊接构件裂纹扩展寿命,并与T型接头弯曲试验结果进行对比验证。结果表明:基于缺口效应和断裂力学的疲劳寿命预测值在试验结果的两倍误差带内,与试验结果具有较好的一致性;相同条件下,T型接头焊趾应力强度因子相比平面应变状态增加了25%; T型接头弯曲疲劳强度比拉伸疲劳强度高12%。     

基于超声相控阵的耐候钢接头疲劳裂纹动态监测

借助超声相控阵技术对耐候钢对接接头开展疲劳失效过程动态监测. 基于超声波探头的信号特征,研究其扇形扫描反射过程,建立实时扫查方案, 并对10 mm厚的耐候钢对接接头实施实时监测.结果表明,当疲劳寿命为5 × 104次时,相控阵检测到多个裂纹从对接接头焊趾部位萌生,并沿着板厚扩展,当疲劳寿命超过3.5 × 105次时,裂纹开始快速扩展. 与疲劳试验断口对比发现,基于相控阵检测得到的裂纹尺寸与试验结果基本一致,验证了相控阵裂纹动态检测的准确性. 根据裂纹深度a、裂纹长度2c与循环次数N关系,明确了裂纹动态演化行为,并获得中厚板耐候钢对接接头表面裂纹的扩展演化规律.     

激光-电弧复合焊接7075-T6铝合金裂纹扩展分析

研究了7075-T6铝合金薄板激光复合焊焊接接头疲劳裂纹扩展寿命.同时通过试验建立了不同热输入与弹性模量之间的函数关系并预测了给定热输入下的疲劳寿命.基于改进的Forman公式,提出了一种考虑7075-T6复合焊接头性能差异性、应力强度因子门槛值、裂纹扩展驱动力以及残余应力等多因素耦合的接头寿命预测模型.通过有限元模拟仿真并结合裂纹扩展和接头拉伸试验,对提出的模型进行了验证.结果表明,该模型预报的接头寿命与试验结果吻合较好.     

2024-T4铝合金FSW接头疲劳裂纹扩展行为及寿命预测

基于ABAQUS与FRANC 3D联合仿真的方法,对2024-T4铝合金搅拌摩擦焊接头预制裂纹于不同部位的紧凑拉伸试样进行裂纹扩展分析以及寿命预测,并深入分析不同部位裂纹扩展行为存在差异性的原因.结果表明,随着裂纹长度的不断延长,裂纹尖端应力强度因子随之增大,且裂纹向前扩展路径基本沿直线扩展,ABAQUS与FRANC 3D联合仿真方法分析不同部位的裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展路径的理论计算和试验结果基本吻合,验证了分区域进行联合仿真的模型精度满足要求.不同部位裂纹扩展试样寿命预测结果与试验结果的相对误差均在5%左右,对焊接接头分区域联合仿真进行寿命预测是准确可行的.裂纹位于不同部位的扩展试样断口处的疲劳辉纹间距不同导致预制裂纹于3个部位的疲劳寿命由低到高为：热影响区、垂直于焊缝方向、焊核区.     

基于Tanaka-Mura位错模型的疲劳裂纹萌生寿命预测

为了准确预测材料的疲劳寿命,提高结构疲劳寿命预测精度,对ABAQUS有限元数值模拟预测试样疲劳寿命的方法进行了研究. 基于Tanaka-Mura位错理论,利用python语言对ABAQUS进行二次开发,模拟预测了S960QL马氏体钢和Ti₂AlNb钛合金接头各区域疲劳裂纹萌生寿命. 利用泰森多边形法生成了晶体特征单元建立了微观子模型,考虑了体心立方结构相互垂直的两条滑移带作为潜在的裂纹萌生位置,并对具有相同取向的多条平行滑移带都进行了模拟计算. 通过计算得到的裂纹扩展速率变化,给出了裂纹萌生阶段过渡到裂纹扩展阶段的临界点处的裂纹萌生寿命. 模拟结果表明,除焊缝柱状晶组织外裂纹萌生寿命与试验数据吻合良好.     

航空发动机叶片TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

目的研究TC4钛合金的振动疲劳特性及寿命预测。方法通过共振疲劳试验,分析裂纹尖端应力强度因子的变化规律,计算不同应力水平下疲劳裂纹扩展的速率,建立剩余寿命预测计算模型。结果裂纹尖端的应力强度因子是表征裂纹扩展速率快慢的有效参数,与裂纹长度及应力场的大小相关。在裂纹扩展初期应力为274 MPa的条件下,裂纹扩展速率的试验值与计算值吻合较好。通过寿命预测模型计算可知,当初始裂纹为0.5 mm,最终裂纹长度达到5 mm时,在应力为274、366、422 MPa的条件下,振动循环周期分别为36 577、19 090、13 865。结论在应力比为?1的振动条件下,裂纹扩展速率随应力水平的增大而加快,同时初始裂纹长度越长,应力相同时,裂纹扩展速率提高。通过寿命预测模型,可计算出结构件的使用寿命。     

超高强度钢超高周循环下疲劳裂纹扩展寿命研究

以Paris裂纹扩展理论为基础,根据不同阶段裂纹扩展速率不同,将裂纹扩展分为三个阶段:低于始裂门槛值阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段.在每个阶段对Paris裂纹扩展公式分别进行积分,最后将三个阶段寿命相加,即可得到裂纹扩展总寿命.此方法所得到的裂纹扩展寿命较Paris公式略高,但是不会改变疲劳总寿命主要由疲劳裂纹萌生决定,裂纹扩展寿命远小于试验总寿命这一事实.     

含咬边缺陷的组焊牵枕结构疲劳寿命定量评估

组焊牵枕结构是重载铁路货车的主要承载部件,在焊接过程中枕梁与纵向梁对接焊缝产生了咬边缺陷,由于咬边缺陷已经存在,疲劳裂纹的扩展过程将是决定牵枕结构服役寿命的主要阶段. 基于等效结构应力法,提出了定量评估含咬边缺陷的组焊牵枕结构疲劳寿命的新方法. 该方法是在Paris公式中,通过积分上下限的设定,推导了计算焊接缺陷引起的疲劳寿命的缩减影响I(r)1/m公式,利用该公式,对含咬边缺陷的牵枕结构寿命进行了计算,为验证计算结果,进一步对该牵枕结构进行了疲劳试验. 结果表明,含3 mm初始裂纹时,计算结果为18.1万次,与试验结果的17万次吻合较好,同时也证明了基于等效结构应力法的I(r)1/m修正公式,对含焊接缺陷构件的疲劳寿命评估是合理有效的.     

基于应变能密度的疲劳-蠕变裂纹扩展行为描述

为准确描述疲劳-蠕变裂纹的扩展行为,选取材料在一个循环周次内吸收的应变能密度增量为材料的损伤变量。将加、卸载阶段的裂纹扩展量与保载期的裂纹扩展量叠加,导出了基于有效应变能密度的疲劳-蠕变裂纹扩展速率表达式。该表达式不仅与载荷的循环周次相关,而且还与材料的疲劳-蠕变速率相关。将1Cro10Mo Ni VNb N合金在600梯形应力波加载下的裂纹扩展速率实验值与该表达式的计算值相比较,结果基本吻合。该公式合理解释了某些合金材料的疲劳-蠕变裂纹扩展的部分行为特征。     

焊接残余应力对7N01铝合金疲劳裂纹扩展影响

焊接残余应力作为平均应力影响裂纹扩展. 将残余应力与外载平均应力分离,通过构建典型焊接残余应力场,借助扩展有限元计算焊接残余应力场的应力强度因子. 开展了紧凑拉伸（CT）试样的疲劳扩展试验,基于Walker公式将裂纹尖端平均应力强度因子K_m（静态量）和应力强度因子幅值ΔK（动态量）分离,获得疲劳裂纹扩展速率da/dN与K_m及ΔK的非线性关系. 结果表明,不同外载荷下,应力比与裂纹长度为非线性关系;残余应力对裂纹扩展存在尺度效应:CT试样裂纹长度小于2 mm时,残余应力场明显影响疲劳裂纹扩展速率;当裂纹长度大于2 mm,外载荷为主导因素.     

Integrated fracture mechanics approach to analyse fatigue behaviour of welded joints

Abstract

Current fracture mechanics methods for fatigue assessment, including those that consider thresholds for crack propagation, are based on long crack behaviour. The present work is concerned with an attempt to predict the fatigue strength of welded joints using a fracture mechanics approach that takes into account the fatigue behaviour of short cracks. The methodology estimates the fatigue crack propagation rate as a function of the difference between the applied driving force and the material threshold for crack propagation, which is a function of crack length. The fatigue strength of butt welded specimens stressed transversely was analysed. Experimental results from the literature were used for comparison. Estimations are obtained by using only the fatigue limit and the fatigue propagation threshold for long cracks, and the applied stress distribution along the crack path obtained from simple finite element models. The influence of plate thickness, initial crack length, and reinforcement angle on fatigue strength of butt welded joints was analysed. Results show good agreement with experimental trends.     

十字接头恒幅和变载荷历程疲劳试验结果及预测

对十字接头分别进行恒辐轴向载荷和变载荷历程疲劳试验,接头疲劳裂纹通常开始发生在焊缝根部,但如果接头变形引起的弯曲应力较大,疲劳裂纹也可能发生在焊缝趾部。本研究试图找出影响焊接接头疲劳寿命各参数之间的相互关系,并利用作者引伸的焊接接头疲劳裂纹起始－扩展模型较精确地预测复杂焊件的疲劳寿命。该模型把疲劳裂纹起始寿命看成是疲劳裂纹萌生,早期生成并聚合成主疲劳裂纹的循环次数,利用应变控制疲劳数据和Ｐａｌｍｇ     

Investigation of Fatigue Crack Propagation in Spot-Welded Joints Based on Fracture Mechanics Approach

In this paper, fatigue crack propagation life of resistance spot welds in tensile-shear specimens is investigated based on the calculation of stress intensity factors and J-integral using three-dimensional finite element method. For comparison, experimental works on 5083-O aluminum alloy spot-welded joints have been carried out to verify the numerical predictions of fatigue crack propagation of welded joints. A lot of analyses have been performed to obtain stress intensity factors and J-integral in tensile-shear specimens of spot-welded joints by using commercial software ANSYS. These gathered data have been formulated by using statistical software SPSS. The results of fatigue propagation life and predicted fatigue crack path revealed very good agreement with the experimental fatigue test data and photograph of cross-section of the fatigued spot-weld specimens.     

焊接结构断裂寿命估算的试验研究

以天然气输送管道和桥梁为典型构造，对其对接接头进行疲劳裂纹扩展速率的实测，并按国内外标准进行断裂寿命估算，绘测出应力幅与寿命的关系曲线，从而给出了焊接结构寿命估算的完整方法。     

16Mn钢埋弧焊接头疲劳裂纹扩展速率的研究

对16Mn钢双面埋弧焊CT试样的焊缝、热影响区、母材及垂直焊缝方向的疲劳裂纹扩展速率进行了研究。结果表明,焊接接头的不同部位疲劳裂纹扩展速率不同,平均应力、焊接残余应力、金相组织对疲劳裂纹的扩展速率都有一定的影响。     

Prediction of fatigue crack propagation life in notched members under variable amplitude loading

One of the interesting phenomenon in the study of fatigue crack propagation under variable amplitude load cycling is the crack growth retardation that normally occurs due to the application of a periodic overload. Fatigue crack growth rate under simple variable amplitude loading sequence incorporating period overloads is studied using single edge notched specimens of AISI304 stainless steel. Load interaction effects due to single and multiple overload have been addressed. Substantial retardation of fatigue crack growth rate is observed due to the introduction of periodic tensile overloads. Estimates of fatigue life have been obtained employing Wheeler model (using Paris and modified Paris equations) and Elber’s model. Analytical predictions are compared with experimental results. Results of these analytical fatigue life predictions show good agreement with the experimental fatigue life data. Fatigue crack propagation rates also have been evaluated from the fractographic study of fatigue striations seen on the fracture surface. Good agreement was found between the experimentally observed crack growth rates and the fatigue crack growth rates determined by the fractographic studies.